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如果明天就要開組會，實驗卻一直毫無進展，你會怎麽做？

這種煎熬的日子，周子暉過了兩年。作為美國加州大學伯克利分校的博士生，他一直學著和失敗打交道。看著不如人意的數據，以及老師下意識地搖頭，他能做的只剩下一次次嘗試和期待。

“山野都有霧燈”，這是周子暉的微信個性簽名，也恰似一種印證，置身迷霧已久的他，終將等來照亮自己的那盞燈。

在失敗的反復打磨下，周子暉持續優化著每一個實驗步驟。功夫不負有心人，在一次實驗中，他終於得到了理想的數據，此後更是“一路綠燈”，順利發現了一種能夠從空氣中捕獲二氧化碳的新型多孔材料。

10月23日，以周子暉為第一作者的研究成果發表於《自然》。這一成果從投稿到接收，僅僅用時4個月。

周子暉（受訪者供圖，Robert Sanders攝）

捕獲二氧化碳的“秘密武器”

直接從空氣裏“抓走”二氧化碳，被許多科學家視作碳中和的“最後一公裏”，但從技術層面上看，能不能實現？該怎樣實現？始終沒有得到答案。

“工業革命前，空氣中的二氧化碳濃度一直穩定在0.03%以下，但工業革命後，這個數值快速升到了0.042%，相較之前高出了近50%。盡管看上去濃度很低，但已經造成了全球氣候變暖。如果再不采取行動，將導致更嚴重的後果。”周子暉告訴《中國科學報》，二氧化碳吸附有兩大方向，一種是從工廠排放的煙氣中“捕捉”二氧化碳，從源頭避免其繼續排放；另一種則是直接從空氣中“抓走”二氧化碳，通過吸附空氣中已有的二氧化碳，讓其濃度不再升高，甚至逐漸回落至原始水平。

其實，從空氣中捕捉二氧化碳的想法並不新鮮。

早在1999年，美國亞利桑那州立大學的化學工程師克勞斯·拉克納（Klaus Lackner）首先提出該設想。此後，不少科學家圍繞二氧化碳的酸性特質“大做文章”，試圖利用各類堿性物質實現酸堿反應，吸收空氣裏的二氧化碳。

然而，種種嘗試都铩羽而歸。

一類材料是復用條件高，通常要在600至900°C的高溫下，才能讓這類材料‘再生’，重復利用吸收二氧化碳；另一類材料是穩定性差，哪怕是在無水無氧的理想條件下，10次左右就出現了明顯的性能衰退。”周子暉解釋道。

周子暉則另辟蹊徑，在導師奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）提出的共價有機框架結構（COFs）基礎上，開發了一種新型多孔材料，使用穩定的共價碳—碳鍵作為材料骨架，並在其孔隙內部“裝”上了盡量多的氨基，讓其充分吸收二氧化碳。

不同於僅通過小分子間的弱範德華力的非共價連接，這類材料采用的共價連接方式，通過共享電子的方式將原子緊密連接在一起，骨架更加堅固穩定。

“此外，共價有機框架本身是個具有疏水性的有機材料，吸收二氧化碳的同時吸水量小，二氧化碳脫附過程中的耗能小，整體的再生溫度更低。”周子暉說，在25°C的室溫條件下就能有效釋放捕獲的二氧化碳，且經過20天100次的循環測試，材料性能並無衰退跡象。

一份特別的生日禮物

2021年，22歲的周子暉從意昂体育平台化學系畢業後，如願來到加州大學伯克利分校深造。盡管做足了思想準備，他還是被讀博生涯的第一個挑戰打了個措手不及。

周子暉2021年清華本科畢業留影

周子暉所在的課題組從2019年就開始了這類材料的研究。當時只有一個模糊的思路，就是要把盡可能多的氨基作為二氧化碳的吸附位點，通過共價鍵連接的方式建造一個穩定的骨架結構。不過，最初為了降低難度，團隊選擇先設計一個穩定性稍差但合成難度也相對較低的骨架，再通過後續優化提升穩定性。

然而花了兩年的時間，嘗試了各種各樣的材料，設計了無數個連接方案，都沒有得到想要的結果，骨架結構的穩定性遠遠達不到要求。

很顯然，這個看似捷徑的方式把課題組引入了死胡同。沒辦法，只能“上難度”了，團隊成員很快調整思路，決定直接進攻穩定性強但難度高的骨架結構。

交給誰來做呢？導師看了看被折磨了兩年的“老兵”們，一時間竟找不到合適的人選。正在這時，周子暉加入了課題組，帶來了新鮮血液。

“很快，設計材料的重任就交給了我。我至少試了20種不同的骨架結構，無論怎麽改進設計方案，就是做不出多孔材料。”回想起那段晝夜不分卻“顆粒無收”的科研經歷，周子暉依舊感到崩潰。

課題組每兩周的周一早晨固定召開組會。“周日的下午，實驗室裏基本坐滿了人，大家都在補數據，直到晚上九點、十點，只有測出滿意的數據，才會走人。”周子暉說，“當時我們課題組發表過的最好的二氧化碳吸附量是0.3（毫摩爾每克），但我前兩年所有實驗數據沒有一個超過0.05。趕上組會，如果實在沒數據，就只能改一改上個月的PPT，調調順序，重新匯報一遍。”

就這樣，被失敗反復打磨的周子暉被迫養成了好心態，當他第一次看到0.4的吸附量時，難以置信地揉了揉眼。

沒看錯！他確實設計出了能吸收二氧化碳的新型多孔材料，周子暉情難自已，一個箭步把導師拉了過來，告訴他這一喜訊。

命運的轉折總是悄然而至。從那以後，實驗變得非常順利，從0.4慢慢優化到0.9。2023年底，周子暉測完了所有數據，開始著手寫論文，並於2024年4月底完成投稿。

當時導師說，這麽好的材料，要選一個好記的數字，讓大家都記住它，於是命名為COF-999。正好我的生日是1999年9月27日，年份有9，月份有9，27也是由3個9組成。”周子暉笑著說。不光名字有紀念意義，2024年9月，他驚喜得知，論文已經被《自然》接收。

“這真是一份特別的生日禮物。”周子暉興奮地感慨。

“站在巨人肩膀上”

“直到實驗結束，我都沒想過論文能發表在《自然》上。”周子暉告訴《中國科學報》，2023年年底，在和導師總結數據時，他們突然想到，既然測試數據這麽好，不如試試能不能在室外空氣裏吸收二氧化碳。

“當時導師沒抱什麽希望，因為此前大家的研究都是基於實驗室展開，很少有人在室外測試，他覺得如果真能做成，保證能發一篇‘正刊’。”吃下了導師畫的“大餅”，周子暉幹勁十足，他買了一些器件開始改造。

樣克服室外條件的不穩定，把空氣順利引入儀器當中？又怎樣將其轉化成可視化的數據？前前後後花了快一個月的時間，周子暉終於做出了合適的設備和程序。

“我們在伯克利校園裏做了這項實驗，通過一根管子將空氣送進儀器裏，發現經過COF-999處理後的空氣，二氧化碳濃度從0.04%降到0。”周子暉驕傲地說，如果把20天的實驗數據延展到365天，就會發現只要200克的COF-999，一年就能吸收20公斤的二氧化碳，相當於一棵成年樹木每年吸收的二氧化碳量。

這項研究也得到了審稿人的高度認可：“這項工作非常紮實，為從空氣中吸收二氧化碳提供了理論支持。”

而在周子暉看來，所有的成果不過是“站在巨人肩膀上”。“這項研究能取得如此成績，離不開前面師兄師姐們的開路，給我們提供了非常寶貴的經驗。”周子暉說，孤身來到美國，一邊是繁重的課業負擔，一邊是毫無進展的實驗壓力，和師兄師姐們的歡聚時光，成了他生活裏僅剩的亮點。

“我們組裏一共25個人，其中大概十來個中國人，每次壓力大的時候，大家就一塊兒聚餐聊天來減壓。”周子暉回憶道，每逢春節，大家都主動跑到博士後師兄師姐家蹭飯。廚房裏的煙火氣、洋溢的飯菜香，使周子暉在大洋彼岸又找到了“家”的感覺。

現在，博士三年級的周子暉也學著師哥師姐的樣子，為後來者鋪路。“要想實現COF-999的大規模應用，這項研究還有很多值得深入的地方。”周子暉解釋道，“一方面，從實驗角度，怎麽在現有材料上進一步優化，比如提升二氧化碳的吸附效率等，另一方面，從工程角度，怎樣設計材料裝置以實現大規模應用，都是挑戰。”

“要走的路還很長。”周子暉萬分感慨，“但我相信柳暗花明，只要踏踏實實走好每一步，一定有所收獲。”

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周子暉，意昂体育平台化學系2017級本科生（化學專業，化學72班）。本科期間曾獲得國家獎學金、北京市優秀畢業生、意昂体育平台優秀學生幹部、誌願公益優秀獎、社會實踐優秀獎等榮譽。

2021年8月至今於美國加州大學伯克利分校化學系攻讀博士學位，專註於COF、直接空氣捕獲、碳捕獲等研究，導師：Omar M. Yaghi院士。